Введение Курс "Методы и средства измерений, испытаний и контроля"

Вид материала

Документы

Содержание П, состоящая из катода К Структурная схема многофункционального осциллографа Z), основное назначение которого – подсветка прямого хода развертки. Постоянное напряжение на модуляторе ЭЛТ

Подобный материал:

• Рабочая программа По дисциплине «Методы и средства измерений, испытаний и контроля», 457.99kb.
• Курс Семестр Всего зачетных единиц Трудоемкость дисциплины в часах, 33.36kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины «методы и средства измерений, испытаний и контроля», 207.06kb.
• Рабочей программы дисциплины Метрология, стандартизация и сертификация по направлению, 29.94kb.
• Тема 6 Основы технических измерений. Размерные цепи Лекция 11 Метрологические показатели, 77.33kb.
• Кафедра птк профессиограмма выпускника, 224.54kb.
• Обеспечения единства измерений. Счетчики холодной воды. Методы и средства поверки (утв, 618.29kb.
• Рабочая программа дисциплины "Автоматизированные системы испытаний радиоустройств", 531.01kb.
• 05. 11. 01 Приборы и методы измерения по видам измерений Формула специальности, 14.1kb.
• Программа вступительного экзамена по специальной дисциплине специальности 6N0732-стандартизация,, 36.1kb.

Оглавление


Введение


Курс "Методы и средства измерений, испытаний и контроля" относится к циклу общепрофессиональных дисциплин и предусматривает изучение методов измерений и контроля; средств измерений и контроля; измерение и контроль механических, электрических, оптических и других физических величин.

Назначение курса состоит в том, чтобы расширить фундамент общепрофессиональной подготовки специалиста. Каждый инженер, специализирующийся в какой-либо области должен знать и уметь использовать: методы измерений, испытаний и контроля качества продукции, методы и средства формирования методического и технического обеспечения процессов измерений, испытаний и контроля с требуемым качеством.

Для успешного усвоения курса студент должен обладать определенными знаниями, умениями, навыками, приобретенными при изучении математики, физики, химии, инженерной графики, теоретической механики, электротехники. В свою очередь, умения, навыки и знания, приобретенные при изучении курса "Методы и средства измерений, испытаний и контроля", помогут в решений инженерных задач в будущей практической деятельности.

1 Основные положения по теме

1.1 Электронно-лучевые осциллографы. Классификация, принцип действия. Применение осциллографов для исследования формы сигнала


Как уже отмечалось, электрические колебания (сигналы) можно определить как во временной области, так и в частотной области. Электрическое колеба­ние, прежде всего, характеризуется его формой – зависимостью мгновенного значе­ния от времени

Наглядное, или визуальное воспроизведение формы колебаний является важной задачей радиотехнических измерений, поскольку форма позволяет сразу оценить многие параметры колебаний. Одним из основных приборов, служащих для визуаль­ного наблюдения и исследования формы электрических сигналов, является осцилло­граф (от лат. «осциллум» – колебание и греч «графо» – пишу).

Большинство современных осциллографов, находящихся в эксплуатации, оснащены электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и их называют электронно­лучевыми осциллографами. Вместе с тем, в последних разработках осцилло­графов в качестве отображающих устройств применяются матричные инди­каторные панели (газоразрядные, плазменные, жидкокристаллические, твер­дотельные и так далее).

Электронно-лучевой осциллограф – измерительный прибор для визуаль­ного наблюдения в прямоугольной системе координат электрических сигна­лов и измерения их параметров. С помощью осциллографа можно наблюдать периодические непрерывные и импульсные сигналы, непериодические и слу­чайные сигналы, одиночные импульсы и оценивать их параметры. Чаще все­го с помощью осциллографа наблюдают зависимость напряжения от време­ни, причем, как правило, осью времени является ось абсцисс, а по оси орди­нат откладывается уровень сигнала. По изображениям, получаемым на экра­не осциллографа, могут быть измерены амплитуда, частота и фазовый сдвиг, параметры модулированных сигналов, временные интервалы и ряд других параметров. На базе осциллографа созданы приборы для исследования пере­ходных, частотных и амплитудных характеристик различных радиотехниче­ских устройств.

Для многих целей разработаны и используются различные типы элек­тронно-лучевых осциллографов: универсальные, скоростные, стробоскопи­ческие, запоминающие и специальные. Отличаясь техническими характеристиками и схемными и конструктивными решениями, эти осциллографы ис­пользуют общий принцип получения осциллограмм. Возможность наблюде­ния формы исследуемого сигнала и одновременное измерение его парамет­ров выдвигают электронно-лучевой осциллограф в разряд универсальных приборов.

Наибольшее распространение получили универсальные осциллографы, позволяющие исследовать разнообразные электрические сигналы с длитель­ностью от единиц наносекунд до нескольких секунд в диапазоне амплитуд от долей милливольт до сотен вольт, а также измерять параметры таких сигна­лов с приемлемой для практики погрешностью (5 ... 7 %). Полоса пропуска­ния лучших универсальных осциллографов составляет 300 ... 500 МГц и бо­лее. Изображение сигнала на экране индицируется практически одновремен­но с его появлением на входе прибора, поэтому их называют осциллографами реального масштаба времени. Универсальные осциллографы выполняют и со сменными блоками, расширяющими их функциональные возможности.

Повторяющиеся кратковременные процессы исследуют с помощью стро­боскопических осциллографов. По принципу действия стробоскопические осциллографы относятся к приборам с преобразованием временного мас­штаба и отличаются высокой чувствительностью и широкой (до 10 ГГц) ра­бочей полосой.

Для исследования быстро протекающих процессов (нано- и пикосекундной длительности) применяют скоростные осциллографы, которые снабжены специ­альной электронно-лучевой трубкой бегущей волны. Предварительного усиления входного сигнала в скоростных осциллографах обычно не производят, поэтому чувствительность их невелика. Эти приборы являются осциллографами реально­го времени, имеют широкую рабочую полосу частот (до 5 ГГц), и позволяют на­блюдать и фотографировать одиночные и периодические сигналы.

Запоминающие осциллографы, имеющие специальные электронно-лучевые трубки, обладают способностью сохранять и воспроизводить изображение сигнала в течение длительного времени после исчезновения его на входе. Основное назначение запоминающих осциллографов – исследование одно­кратных и редко повторяющихся процессов. Запоминающие осциллографы имеют почти те же характеристики, что и универсальные, однако отличаются расширенными функциональными возможностями.

Специальные осциллографы оснащены дополнительными блоками целевого назначения. К ним относятся и телевизионные осциллографы, позволяющие на­блюдать видеосигнал заданной строки изображения, и цифровые, дающие воз­можность не только наблюдать сигнал, но и передать его в цифровом виде на компьютер для дальнейшей обработки. Специальные осциллографы снабжаются мультиметрами, позволяющими измерять напряжения, силу токов и сопротивле­ния, а также устройствами для исследования вольт-амперных характеристик по­лупроводниковых приборов.

По числу одновременно наблюдаемых на экране электронно-лучевой труб­ки сигналов различают одноканальные и многоканальные осциллографы. Со­вмещение на экране изображений нескольких входных сигналов реализуют или использованием специальной многолучевой трубки, или путем периоди­ческого переключения осциллографа на разные входы с помощью электрон­ного коммутатора.

2. Описание физического процесса, заложенного в основу прибора или процесса
   
   1. Принцип работы электронно-лучевой трубки
      

Электронным осциллографом называют электронно-лучевую трубку, применяемую для исследования быстропротекающих электрических процессов.

В основу работы электронно-лучевой трубки положено отклоняющее действие электрического и магнитного поля на электронный пучок. Схема устройства электронно-лучевой трубки приведена на рисунке 1([1], с.19, рисунок (1.7)).



Рисунок 1 – Электронно-лучевая трубка

В ее узкий конец вмонтирована электронная пушка  П, состоящая из катода К, анода А и нескольких металлических колец (ускоряющих анодов). Форму, положение анодов и напряжение на них выбирают так, чтобы одновременно с ускорением электронов происходила и фокусировка электронного пучка, то есть уменьшение площади поперечного сечения.

Электроны вылетают из катода, нагреваемого электрическим током, а электрическое поле между катодом и металлическими кольцами (фокусирующего устройства) сводит их в узкий пучок – электронный луч. Широкое дно Э электронно-лучевой трубки покрыто слоем флуоресцирующего вещества и служит экраном. Под действием ударов попадающих на него электронов экран светится, и в том месте, куда попадает электронный луч, появляется обычно зеленое светлое пятнышко F. Между электронной пушкой и экраном помещены управляющие электроды, представляющие собой систему горизонтально и вертикально расположенных пар пластин, то есть конденсаторов C₁ и C₂. Электрические поля заряженных конденсаторов взаимно перпендикулярны. Поле конденсатора C₁ отклоняет луч в горизонтальном направлении, поле конденсатора C₂ – в вертикальном. Изменяя напряжение на пластинках каждого из конденсаторов, можно отклонить электронный луч в любом направлении так, что пятнышко возникает на экране на различных расстояниях от его центра.

В центр экрана электроны попадают, когда конденсаторы не заряжены.

2. Описание используемых приборов или процессов измерения. Схемы и рисунки. Пояснения. Примеры использования
   

   1. Структурная схема многофункционального осциллографа

Рассмотрим обобщённую структурную схему многофункционального осциллографа, которая изображена на рисунке 2 ([2], с. 121,рисунок (5–1)). В осциллографе кроме ЭЛТ можно выделить следующие функциональные блоки: каналы вертикального и горизонтального отклонений, устройство синхронизации и запуска развертки, канал модуляции луча вспомогательные устройства, источник питания.

Канал вертикального отклонения (Y) определяет основные качественные характеристики, осциллографа и включает вводное устройство, предварительный усилитель, линию задержки и оконечный усилитель. Входная цепь служит для регулировки водного; сигнала по амплитуде, которая осуществляется широкополосным дискретным аттенюатором, проградуированным в значениях, коэффициента отклонения. Во входной цепи предусматривают также коммутируемый разделительный конденсатор, позволявший при необходимости исключать подачу на вход осциллографа постоянной составляющей исследуемого сигнала («закрытый» вход).

Предварительный усилитель выполняет следующие функции: усиление сигнала и преобразование его из несимметричного в симметричный относительно общего провода, плавную регулировку коэффициента отклонения и изменение постоянной составляющей сигнала, подаваемого на ЭЛТ. Последнее необходимо для регулировки положения изображения по вертикали. В современных моделях широко используется дифференциальный предварительный усилитель с двумя входами. При этом на экране ЭЛТ отображается разность сигналов, поданных на входы.

Линия задержки обеспечивает небольшой временной сдвиг сигнала на пластинах ЭЛТ относительно начала развертки, что важно для ждущего режима. Оконечный усилитель обеспечивает увеличение амплитуды сигнала до значения, достаточного для отклонения луча в пределах экрана, а также согласование входного сопротивления отклоняющих пластин ЭЛТ с выходным сопротивлением предварительного усилителя и линии задержки.

Канал горизонтального отклонения (X) включает генератор развертки и оконечный усилитель. Как правило, генератор развертки имеет три режима работы: автоколебательный (непрерывная линейная развертка), ждущий и режим однократного запуска. Период развертки регулируется дискретно и плавно. Генератор развертки может быть отключен; при этом развертка производится внешним сигналом, подаваемым на вход канала X. Назначение усилителя то же, что и оконечного усилителя Y, однако в нем предусматривается дискретное изменение коэффициента усиления для режима растяжки.


Рисунок 2 – Структурная схема многофункционального осциллографа

Устройство синхронизации и запуска развертки предназначено для управления генератором развертки и обеспечивает кратности, периодов сигнала и. развертки. Для получения неподвижного изображения начало развертки должно быть связано с одной и той же характерной точкой сигнала (фронтом, максимумом и прочие). Процесс привязки развертки к характерным точкам сигнала называют синхронизацией в автоколебательном режиме и запуском – в ждущем. Синхронизация и запуск развертки производятся специальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор из устройства синхронизации. Различают два рёжима синхронизации: внутреннюю и внешнюю. При внутренней синхронизации синхроимпульсы вырабатывают из усиленного входного сигнала до его задержки. При внешней – сигнал синхронизации подают на специальный вход осциллографа от внешнего источника. Например, в стандартных генераторах импульсов вырабатываются синхроимпульсы, относительно которых выходной сигнал, может быть, сдвинут с помощью регулируемой задержки. При изучении прохождения импульсов через какое-либо устройство регулировка задержки на генераторе при внешней синхронизации позволяет перемещать импульс на экране осциллографа по горизонтальной координате в удобное для наблюдения место.

Канал модуляции луча по яркости ( Z), основное назначение которого – подсветка прямого хода развертки. Постоянное напряжение на модуляторе ЭЛТ выбирают на уровне запирания трубки. В генераторе развертки вырабатывается специальный прямоугольный импульс подсчета, равный длительности прямого хода развертки. Для равномерной яркости изображения импульс подсвета должен иметь плоскую вершину. Необходимо также обеспечить малую длительность фронта и спада импульса. Для формирования напряжения, поступающего на модулятор, служит усилитель, имеющий также дополнительный вход. Это дает возможность модуляции изображения по яркости внешним сигналом. Канал Z используется также для создания яркостной отметки в осциллографах с двойной разверткой.

Вспомогательные устройства осциллографа включают калибраторы и электронный коммутатор каналов. Калибраторы, встроенные в осциллограф, служат для точной установки коэффициентов отклоненной и развертки непосредственно перед измерениями. Они представляет собой отдельные генераторы сигналов с точно известной амплитудой и частотой. Для калибровки оси Y используют постоянные напряжения обеих, полярностей (иногда плавно регулируемые) и напряжения в виде меандра. Масштаб по оси Х обычно устанавливают по синусоидальному напряжению, стабилизированному кварцем.

Электронные коммутаторы, входящие в канал Y некоторых осциллографов позволяют наблюдать на экране несколько синхронных процессов (имеющих строго кратные периоды повторения). Такой осциллограф называется многоканальным и имеет несколько входов, подключаемых к усилителю Y с частотой развертки. В этом случае на каждом ходе развертки образуется изображение одного из входных сигналов (поочередный режим).

Источник питания осциллографа обычно состоит из двух частей высоковольтного, выдающего необходимые напряжения для питания электродов ЭЛТ, и низковольтного – для питания остальные узлов осциллографа.


3.2 Цифровые осциллографы


Цифровой осциллограф позволяет одновременно наблюдать на экране сигнал и получать численные значения ряда его параметров с большей точ­ностью, чем это возможно путем считывания количественных величин непо­средственно с экрана обычного осциллографа. Это возможно потому, что параметры сигнала измеряются непосредственно на входе цифрового осцил­лографа, тогда как сигнал, прошедший через канал вертикального отклонения, может быть измерен с существенными ошибками. Эти ошибки могут достигать 10 %.

Параметрами, измеряемыми современными цифровыми осциллографа­ми, являются: амплитуда сигнала, его частота или длительность. На экране осциллографа, помимо собственно осциллограмм, отображается состояние органов управления (чувствительность, длительность развертки и т. п.). Пре­дусмотрен вывод информации с осциллографа на печать и другие функцио­нальные возможности. Однако этим не ограничиваются возможности циф­ровых осциллографов. Сопряжение цифровых осциллографов с микропро­цессорами позволяет определять действующее значение напряжения сигна­ла и даже вычислять и отображать на экране преобразования Фурье для любого вида сигнала.

В устройствах цифровых осциллографов осуществляется полная цифро­вая обработка сигнала, поэтому в них, как правило, используется отображе­ние на новейших индикаторных панелях.

В цифровых осциллографах отображение результата измерения произво­дится тремя способами:

• параллельно с наблюдением динамического изображения сигнала на эк­ране, его численные параметры высвечиваются на табло;

• оператор подводит к изображению сигнала на экране световые метки так, чтобы отметить измеряемый параметр, и по цифре на соответствующей регу­лировке определяет величину интересующего параметра;

• используются специальные кинескопы (например, матричные индикато­ры) и растровый метод формирования изображения исследуемых сигналов и цифровой информации.

В современных цифровых осциллографах автоматически устанавливают­ся оптимальные размеры изображения на экране трубки. Ниже приводятся параметры современного цифрового автоматизированного осциллографа, который является характерным представителем этого класса приборов.

Структурная схема цифрового осциллографа изображена на рисунке 3([1], с. 160, рисунок (8.6)) и содержит: аттенюатор вход­ного сигнала; усилители вертикального и горизонтального отклонения; изме­рители амплитуды и временных интервалов; интерфейсы сигнала и измери­телей; микропроцессорный контроллер; генератор развертки; схему синхронизации и электронно-лучевую трубку.





Рисунок 3 – Структурная схема цифрового осциллографа

Из структурной схемы видно, что амплитудные и временные параметры исследуемого сигнала определяются с помощью встроенных в прибор измерителей. На основании данных изме­рений микропроцес­сорный контроллер производит вычисление требуемых коэффи­циентов отклонения и развертки и через интерфейс устанав­ливает эти коэффициен­ты в аппа­ратной части каналов вертикального и горизонтального отклонения. Это обеспечивает неизменные размеры изображения по вертикали и горизонта­ли, а также автоматическую синхронизацию сигнала.

Микропроцессорный контроллер также опрашивает положение органов управления на передней панели, и данные опроса после кодирования снова поступают в контроллер, который через интерфейс включает соответствую­щий режим автоматического измерения. Результаты измерений индицируют­ся на отдельном световом табло (оно может быть встроено в экран трубки), причем амплитудные и временные параметры сигнала отображаются одно­временно.

2. Расчет погрешности рассмотренного прибора (процесса)
   

Параметры электрического сигнала, поданного на вход осциллографа, определяются по его осциллограмме путем измерения ее геометрических размеров и сопоставления их с коэффициентом отклонения и коэффициентом развертки данного осциллографа. Следовательно, достоверность ре­зультатов измерения зависит от точности воспроизведения осциллограммы и погрешности измерения ее геометрических размеров. Точность воспроизведения определяется в основ­ном используемой площадью экрана электронно-лучевой трубки и линейными искажениями сигнала в тракте осцил­лографа.

Осциллограмма должна размещаться на рабочей пло­щади экрана, ограниченной измерительной шкалой-сет­кой. С помощью последней, используя значения коэффи­циентов отклонения и развертки, можно непосредственно измерять напряжение сигнала и его временные параметры. Коэффициенты и имеют фиксированные значения, точность которых определяется классом точности осцилло­графа. Следует иметь в виду, что если осциллограмма занимает 80 % рабочей площади экрана, то погрешность измерения уменьшается вдвое.

Большое влияние на погрешность измерения оказывает тщательность отсчета геометрических размеров участков осциллограммы и совмещения следа электронного луча с линиями измерительной шкалы.

Линейные искажения определяются параметрами ам­плитудно-частотной АЧХ и переходной ПХ характери­стик канала Y и нормируются в виде погрешности измерения дан­ным осциллографом в пределах 5 – 10 %.

Чтобы погрешность результата измерения не превышала погреш­ности осциллографа, полезно со­блюдать следующие правила. При исследовании синусоидального сиг­нала его частота должна быть зна­чительно ниже верхней частоты полосы пропускания осциллографа по его паспортным данным или оп­ределенной по АЧХ усилителя Y в точке с уровнем напряжения – 3 дБ относительно уровня на средней частоте. При исследова­нии импульсных сигналов опреде­ляющим является время нараста­ния ПХ, т. е. интервал времени, в течение которого луч проходит от 0,1 до 0,9 установившегося значе­ния. Время нарастания ПХ и полоса пропускания взаимно связаны следующим соотношением([2], с. 152):

= 0,35/. (1)


Важным параметром является также время установле­ния ПХ канала Y , которое определяется как интервал времени между моментом достижения уровня 0,1 устано­вившегося значения и моментом уменьшения паразитного колебания в канале Y после выброса на ПХ до значения, равного – погрешности , то есть 5 или 10 % (рисунок 4). Выброс ПХ обычно не превышает 3 – 5 %.([2], с. 152,рисунок (5–23)).

Теория и практика показывают, что при исследовании импульсных сигналов нужно соблюдать следующие соот­ношения между длительностью фронта импульса и временем нарастания ПХ : треугольный импульс – / ; колокольный – ; трапецеидальный, сину­соидальный и синусквадратичный – . Минимальная длительность прямоугольного сигнала, параметры которого можно измерять с указанной в паспорте осциллографа погрешностью, определяется временем установления ПХ . Длительности фронта и среза прямоугольных и трапецеи­дальных импульсов могут быть соизмеримы со временем нарастания ПХ; тогда измеренная длительность фронта включает в себя и время нарастания , которое следует исключить.

Длительность фронта опреляется по формуле([2], с. 153):

(2)




Рисунок 4 – К определению параметров переходной характеристики: а) – времени нарастания, б) – времени установления

Воспроизведение плоской части импульса в осцилло­графах с открытым входом и полосой пропускания, начи­нающейся от 0, не искажается. При закрытом входе полоса пропускания ограничивается снизу частотой , и спад приблизительно можно определить по формуле , где τ – длительность импульса в секундах; формула спра­ведлива для

Входное сопротивление и входная емкость осцилло­графа вносят дополнительную погрешность измерения. Выходное сопротивление источника сигнала и вход­ное сопротивление осциллографа образуют делитель напряжения; чтобы погрешность была пренебрежимо мала, необходимо соблюдение следующего неравенства: . Входная емкость осциллографа и выход­ное сопротивление источника сигнала образуют постоянную времени , которая удлиняет фронт сигнала до .

определяется по формуле([2], с. 153):


(3)


Входная емкость осциллографа достигает 40 – 50 пФ, а с соединительным кабелем превышает 100 пФ. Для ее уменьшения применяют выносные делители, особенно по­лезные при исследовании коротких прямоугольных импуль­сов. Нелинейные искажения в канале Y не оказывают боль­шого влияния на погрешность измерения.

Погрешность временных измерений определяется в ос­новном погрешностью установки коэффициента развертки и ее нелинейностью. Погрешность может быть значительно уменьшена с помощью калибратора длительности, сигналы которого образуют на осциллограмме яркостные метки. Цена меток в единицах времени известна и высокоста­бильна.

5 Выводы по работе


В ходе курсовой работы был рассмотрен принцип действия электронно-лучевых осциллографов, разобрана их классификация. Для лучшего усвоения материала были изучены структурные схемы и принципы действия многофункционального и цифрового осциллографов, описан физический процесс, заложенный в основу электронно-лучевой трубки. И, наконец, оценена погрешность прибора.

Список используемых источников


1 В. А. Новопольский. Работа с электронно-лучевым осциллографом. М., 1999, 176 с.

2 Ф. В. Кушнир. Электрорадиоизмерения. Л., 1983, 320 с.